CPU 구성요소
CPU는 컴퓨터에서 가장 핵심적인 역할을 수행하는 부분. '인간의 두뇌'에 해당
CPU는 프로세서라고도 불리며, 컴퓨터 시스템에서 가장 중요한 부분 중 하나
- 제어 유닛(Control Unit):
-
제어 유닛은 CPU의 다른 부분들을 조정하고 제어하는 역할을 합니다.
-
명령어를 해석하고 실행하는 작업을 담당합니다.
-
제어 유닛은 CPU의 주변 장치와 연결하여 데이터와 명령어를 주고 받을 수 있도록 합니다.
-
명령어 레지스터에서 해석할 명령어를 받아온다
-
제어장치는 그 명령어들을 받아 해석해서 제어 신호를 내보낸다.
-
플래그 레지스터에서 플래그 값도 받아들인다.
-
제어신호도 받는다. ex 입출력장치 같은것들
-
제어신호는 cpu 내부와 외부로 나눔
제어 신호를 발생시키고 명령어를 해석하는 장치
- 클럭 : 컴퓨터의 모든 부품을 일사불란하게 움직일 수 있게 하는 시간 단위
- 산술 논리 유닛(Alu, Arithmetic Logic Unit):
-
산술 논리 유닛은 산술 연산과 논리 연산을 수행하는 부분입니다.
-
숫자를 더하거나 빼는 등의 산술 연산과 AND, OR, NOT 등의 논리 연산을 처리합니다.
-
계산하는 장치
-
계산을 하기 위해서는 피연산자와 수행할 연산이 필요
-
피연산자는 레지스터로 부터, 수행할 연산은 제어장치로 부터 받아온다.
-
결괏값을 레지스터에 저장 ex. 숫자, 문자, 주소...0과 1로 표현된 것들
-
메모리대신 레지스터에 저장하는 이유 : cpu가 메모리에 접근하는 속도보다 레지스터에 접근하는 속도가 빠름
-
플래그 레지스터 : 연산 결과에 대한 부가 정보를 저장
- 레지스터(Registers):
-
레지스터는 cpu 내부의 작은 임시저장장치
-
프로그램 속 명령어, 데이터는 실행 전후로 레지스터에 저장
-
row 레벨 개발자들은 레지스터 안에 어떤 값이 담기는지 관찰하는 일이 생길수있음
-
cpu 내부에는 다양한 레지스터들이 있고 각기 다른 역할을 가진다.
-
cpu 마다 레지스터 종류는 다를수 있지만 공통적인 사항을 다뤄보자
- 순차적으로 프로그램을 진행할수 있는 원리
순차적인 실행 흐름이 끊기는 경우
- 특정 메모리 주소로 실행 흐름을 이동하는 명령어 실행 시 ex. jump
- 인터럽트 발생 시
-
스택 주소 지정 방식 : 스택과 스택 포인터를 이용한 주소 지정 방식
(스택 포인터 : 스택의 꼭대기를 가리키는 레지스터)
-
변위 주소 지정 방식 : 오퍼랜드 필드의 값(변위)과 특정 레지스터의 값을 더하여 유효 주소 얻기
-
레지스터는 CPU 내부의 작은 기억 공간으로, 매우 빠른 데이터 접근이 가능합니다.
-
중앙 처리 장치는 데이터를 레지스터에 가져와서 처리하고, 다시 레지스터에 저장합니다.
-
레지스터는 CPU 성능에 매우 중요한 역할을 합니다.
- 버스(Bus):
- 버스는 CPU 내부의 다른 부분들끼리 데이터와 명령어를 주고 받을 수 있도록 연결하는 통로입니다.
- 데이터 버스는 데이터를 이동시키는데 사용되고, 주소 버스는 메모리 주소를 전달하는데 사용됩니다.
- 제어 버스는 제어 신호를 전달하는데 쓰입니다.
- 시계(Clock):
- CPU는 일정한 시간 간격으로 작업을 수행하도록 시계 신호를 사용합니다.
- 시계 신호는 CPU의 동작 주파수를 결정하며, 높은 주파수로 동작할수록 CPU의 성능이 향상됩니다.
- 캐시 메모리(Cache Memory):
- 캐시 메모리는 CPU와 주 메모리(RAM) 사이에 위치하여 빠른 데이터 접근을 가능하게 합니다.
- CPU는 자주 사용하는 데이터를 캐시에 저장하여 더 빠르게 접근하고 처리할 수 있습니다.
CPU 동작원리
-
CPU(중앙 처리 장치)는 컴퓨터의 핵심 구성 요소로서, 프로그램의 명령어를 해석하고 실행하여 모든 계산과 데이터 처리를 담당합니다.
-
컴퓨터에서 모든 연산은 CPU를 통해 이루어진다.
명령어 사이클 : 프로그램 속 명령어들은 일정한 주기가 반복되며 실행함. 이 주기를 명령어 사이클이라함
인출-실행-인출-실행 계속 반복됨
간접 사이클 : 바로 실행이 안되고 메모리에 접근이 더 하고 실행하는 사이클이 있음
인터럽트는 이 사이클을 끊어버리는 요소
- 명령어 인출 (Instruction Fetch):
-
CPU는 프로그램이 저장된 메모리에서 다음에 실행해야 할 명령어를 가져옵니다.
-
CPU 내부에는 프로그램 카운터(Program Counter, PC)라는 레지스터가 있으며, 이는 다음에 실행할 명령어의 주소를 가리킵니다.
-
PC는 메모리에서 명령어를 가져오기 위해 사용되는 주소 포인터 역할을 합니다.
- 명령어 해석 (Instruction Decode):
-
CPU는 인출한 명령어를 이해하고 해석합니다.
-
명령어는 CPU가 인식하는 특정한 형식과 규칙에 따라 구성되어 있습니다. 이 형식에 따라 어떤 작업을 수행해야 하는지를 결정합니다.
- 실행 (Execute):
-
CPU는 해석된 명령어를 바탕으로 실제 작업을 수행합니다.
-
산술 논리 연산(ALU, Arithmetic Logic Unit)이 이 단계에서 중요한 역할을 합니다.
-
덧셈, 뺄셈, 곱셈, 논리 연산 (AND, OR, NOT 등), 시프트 연산 등이 이루어집니다.
-
데이터를 메모리에서 로드하거나 저장하는 등의 메모리 접근도 이 단계에서 처리됩니다.
- 결과 저장 (Write Back):
-
실행 단계에서 계산된 결과를 레지스터나 메모리에 저장합니다.
-
레지스터는 CPU 내부의 작은 기억 공간으로, 연산 중간 결과를 저장하거나 다음 명령어에 필요한 데이터를 보관하는 역할을 합니다.
-
메모리에 결과를 저장하면 나중에 필요할 때 다시 사용할 수 있습니다.
- 인터럽트
-
인터럽트는 동기 인터럽트와 비동기 인터럽트로 나눈다.
-
명령어 사이클을 방해하는 요소
동기 인터럽트(예외) : CPU가 예기치 못한 상황을 접했을 때 발생
- 원하는 데이터가 없던지, 실행 할 수 없는 명령이라던지...
비동기 인터럽트(하드웨어 인터럽트) : 주로 입출력장치에 의해 발생
-
알림(세탁기 완료 알림, 전자레인지 조리 알림)과 같은 역할
-
입출력 작업 도중에도 효율적으로 명령어를 처리하기 위해 하드웨어 인터럽트 사용함
-
입출력 장치는 CPU에 비해 느리다
-
인터럽트가 없다면 CPU는 프린트 완료 여부를 확인하기 위해 주기적으로 확인해야 한다.
하드웨어 인터럽트의 처리 순서
- 인터럽트의 종류를 막론하고 인터럽트 처리 순서는 대동소이하다.
-
CPU가 인터럽트 요청을 받아들이려면? 인터럽트 플래그를 확인하면 된다.
-
정전같은 무조건 실행해야하는 막을 수 없는 인터럽트도 존재
-
CPU가 인터럽트를 받아들이기로 했다면 인터럽트 서비스 루틴 실행한다.
인터럽트 서비스 루틴이란, 인터럽트가 발생했을 때 해당 인터럽트를 어떻게 처리하기 위한 프로그램이다.
ex.키보드가 인터럽트 요청을 보내면 이렇게 행동해야 한다. -
인터럽트 서비스 루틴도 프로그램이기에 메모리에 저장한다.
-
인터럽트 백터 : 각각의 인터럽트를 구분하기 위한 정보
-
인터럽트 서비스마다 인터럽트 시작주소 가짐
-
CPU가 인터럽트를 처리한다는 말은 "인터럽트 서비스 루틴을 실행하고, 본래 수행하던 작업으로 다시 되돌아온다."는 말이다.
-
그리고 인터럽트의 시작 주소는 인터럽트 백터를 통해서 알 수 있다.
-
그럼 인터럽트 날때 원래 실행중인 프로그램의 레지스터 정보들은 어떻게 되나? -> 인터럽트 나기 전까지 작업내용을 스택에 저장한다.
명령어 사이클 최종 흐름
